如果有一天，地球上只剩下你一個人，而你要給這個星球留下最后一句話，以便有其他生命到來時，他們能夠了解人類過去最重要的科學(xué)，你會留下哪一句？

物理學(xué)家費曼曾經(jīng)說過，如果要用一句話來說明人類科學(xué)最重大的發(fā)現(xiàn)，他會選擇“物質(zhì)是由原子構(gòu)成的”這一句。然而，如果是德布羅意的話，估計他還會加上一個逗號，然后補上“并且具有波粒二象性?！?/p>

“物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，并且具有波粒二象性?！?/strong>

20世紀(jì)之前，楊氏雙縫等實驗和麥克斯韋電磁方程讓人們堅信，光是一種波，而電子、原子則是一粒一粒的。1905年愛因斯坦的光電效應(yīng)證實了光不僅是一種波還具有粒子的性質(zhì)，也就是光子。光是具有波粒二象性的。然而，如果有人告訴你，不僅光具有波粒二象性，電子、原子、和它們組成我們的物質(zhì)也都具有波粒二象性，你會不會感到背脊發(fā)涼？我們的身體難道也是一種波？真是鄙夷所思！

物質(zhì)具有波粒二象性，這不是科學(xué)家們的憑空臆想，而是通過無數(shù)次的科學(xué)推理和實驗去證明得出的結(jié)論。這是一個跌宕起伏的過程......

最早認(rèn)為物質(zhì)是由原子構(gòu)成的說法，是2000年前古希臘人留基伯和他的學(xué)生德莫克利特提出的。雖然當(dāng)時只是一個猜想，但是這一概念的提出，可說是人類一個偉大的創(chuàng)舉。

2000年后的19世紀(jì)初，英國化學(xué)家約翰·道爾頓才通過實驗的方法把原子的推測轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)的概念。1905年7月18日愛因斯坦發(fā)表的論文《熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮粒子的運動》又一次實錘證明了分子和原子的存在。

約翰·道爾頓

當(dāng)時人們認(rèn)為，原子已經(jīng)是構(gòu)成物質(zhì)的最小單元了，它是無法再分割的。然而，到了19世紀(jì)末，大自然似乎又給人們一些啟示：原子內(nèi)部應(yīng)該還有一些不同的結(jié)構(gòu)。

1895年，德國的科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線；1896年，法國的科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾原子具有放射性；1898年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾更強的元素鐳。這些現(xiàn)象說明原子內(nèi)部是不穩(wěn)定的，它是不是還有什么我們不知道的構(gòu)造呢？盧瑟福就曾推測，這種放射性是原子自身內(nèi)部分裂成新的原子過程中的一種表現(xiàn)。然而，原子怎么可能可以再分割和改變呢？當(dāng)時幾乎沒有人相信這種觀點。

100新西蘭元上的盧瑟福

J.J.湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子

在1897年，J.J.湯姆遜也發(fā)現(xiàn)了陰極射線中有一種“微?！保⑶疫@種微粒帶有負(fù)電荷。他給這種帶負(fù)電荷的微粒命名為“電子”，至此人們終于認(rèn)識到原子中確實還有別的東西。J.J.湯姆遜于此也獲得了1904年的諾貝爾物理學(xué)獎。

J.J.湯姆遜

原子中的電子帶有負(fù)電，而原子是中性的，那么J.J.湯姆遜推測原子中必定還有帶正電荷的物質(zhì)，這樣正負(fù)電才能平衡成不帶電的原子。于是他想像出一個原子的模型是這樣的：原子就像一個松軟的蛋糕，蛋糕上點綴著葡萄干，這些葡萄干就是帶負(fù)電的電子，而蛋糕本身帶有正電，它們達成了一種平衡。所以原子組成的我們和周邊的各種物質(zhì)才沒有表現(xiàn)出帶電性。這個原子的模型人們稱之為”葡萄干布丁模型“。

盧瑟福的原子模型

但是，這種”葡萄干布丁模型“的原子結(jié)構(gòu)后來發(fā)現(xiàn)是錯誤的，推翻這種模型的正是J.J.湯姆遜的學(xué)生盧瑟福。盧瑟福在研究物質(zhì)的放射性中發(fā)現(xiàn)一種高能量的放射線，他稱之為'阿爾法粒子“,其實它就是去掉兩個電子后的氦離子。 這種 粒子能量非常高，盧瑟福就用它來撞擊其他金屬物質(zhì)，看有沒有發(fā)現(xiàn)什么新的東西。

1911年，盧瑟福和他的兩個學(xué)生，在用 '阿爾法粒子“ 撞擊金箔時發(fā)現(xiàn)，有些粒子穿過了金箔薄片，有些粒子偏離了方向，還有些直接就反射回來了。這個發(fā)現(xiàn)，盧瑟福感到非常震驚。 '阿爾法粒子“的能量非常高，打在這樣一層薄薄的金箔紙上，它怎么可能反射回來呢？這就像你用子彈射擊一張紙時，子彈竟然會反彈回來一樣不可思議。出現(xiàn)這種情況唯一的可能性，就是這張紙中散布著一些非常堅硬的東西。于是盧瑟福斷定，原子內(nèi)部還有其他的結(jié)構(gòu)，這些堅硬的東西應(yīng)該就是原子的核。

經(jīng)過多次的實驗研究，盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子的重量幾乎都集中在中間這個極小的原子核上面。因為'阿爾法粒子“帶的是正電，所以只有正好撞向帶有正電的原子核時才會反射回來，而那些靠近原子核的“阿爾法粒子”就只是偏轉(zhuǎn)了方向。盧瑟福當(dāng)時通過計算得出，原子核的直徑大約是10^(-14)米，體積只有整個原子大小的幾千億分之一。如果把原子比作一個足球場，那原子核還不到一只蒼蠅那么大。

后來盧瑟福和他的事們，不斷的轟擊了很多不同的物質(zhì)，他們發(fā)現(xiàn)不同原子的原子核的電荷數(shù)和重量都不一樣，并且據(jù)此還發(fā)現(xiàn)了中子和質(zhì)子。于是，此時盧瑟福的原子模型就是這樣子的：帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成了原子核，而帶負(fù)電的電子就圍繞著原子核在轉(zhuǎn)，就像行星繞著恒星旋轉(zhuǎn)一樣。

但是盧瑟福的這個原子模型，還存在著一些沒法解釋的問題。比如：帶負(fù)電的電子繞著帶正電的原子核旋轉(zhuǎn)，正負(fù)電子相互吸引，電子為什么不墮入原子核里？當(dāng)時盧瑟福對此的解釋是，電子繞著原子核心旋轉(zhuǎn)，就像行星繞恒星旋轉(zhuǎn)一樣，有一個離心力平衡了吸引力，所以電子沒有跌入原子核中。但這種說法是站不住腳跟的，電子繞著原子核運動，屬于變速運動，而麥克斯韋方程告訴我們，帶電物體做變速運動一定會產(chǎn)生輻射。電子在產(chǎn)生輻射中損失能量最終也會墮落到原子核中。計算表明，這樣繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子會在10^（-12）秒內(nèi)就會因為能量損失而瞬間掉入到原子核內(nèi)。

第二個問題是，原子輻射的光譜線為什么是不連續(xù)的？我們知道，光就是電磁波，而光的頻率與它的波長成反比，不同的光波對應(yīng)的就是不同的顏色。所以不同的原子它的電磁輻射不同，它們具有不同的光譜線。但是同一種原子發(fā)出來的電磁波，也就是光譜線為什么是一條條不連續(xù)的線呢？如氫的原子輻射的光譜線是這樣的：

氫原子的輻射光譜

玻爾的原子模型

這些問題，一直讓盧瑟福抓狂。直到1912年，尼爾斯.玻爾的到來，終于迎來了轉(zhuǎn)機。玻爾開始是找湯姆遜做導(dǎo)師的，但是因為沒投緣后又找到了盧瑟福，盧瑟福就把這些問題丟給玻爾去研究。

當(dāng)時對于光譜線不連續(xù)的問題，有一個瑞土的中學(xué)老師叫做巴爾默，他找到了氫原子光譜線的一些相關(guān)的規(guī)律，就是其中一些輻射光的波長的倒數(shù)正好正比于一個值（1/4-1/n^2），并得出了一個公式：

式中的n大于2，λ代表的是波長,R是一個常數(shù)。這個公式，當(dāng)時只是一個數(shù)學(xué)上的規(guī)律，人們并不知道它意味著什么。但是玻爾自從在“人群中多看了它一眼”，這個巴爾默公式簡直猶如晴天霹靂，它就像一個火花一樣點燃了玻爾的靈感。公式中的變量N，是一個大于2的正整數(shù)，可以等于3，可以等于4，但不能等于3.5、4.5，這不是正好是一種量子化的表述嗎？

尼爾斯.玻爾

普朗克在1900年時，就曾經(jīng)把黑體輻射的能量假設(shè)成一份份的，并且得出E=hν，能量與頻率有關(guān)（量子論誕生之黑體輻射：真正的革命是連革命者本人都在反對它）。愛因斯坦也從光電效應(yīng)中推出光是量子化的（量子力學(xué)（三）光電效應(yīng)：這18年間，唯一一位認(rèn)真對待光量子的人）。這時巴爾默公式又說明原子只能放射出波長符合某種量子規(guī)律的輻射，這個說明什么呢？說明在原子的內(nèi)部，它只能以特定的量吸收或發(fā)出能量，那么電子的軌道是不是也可以是量子化的呢？于是一個大膽的想法就在玻爾的腦海中浮現(xiàn)了出來，他得出了一個新的原子模型：原子中電子的運行軌道是固定的，每一個軌道對應(yīng)一個固定的能量；電子只能在這條固定的軌道里運行，并且此時并不輻射或吸收能量；電子在不同的軌道間躍遷時才會輻射或吸收能量，這個輻射或吸收能量的大小等于兩個躍遷軌道的能量之差；電子軌道還有一個角動量，角動量也是量子化的。玻爾原子模型大概就如下圖：

玻爾模型的簡化示意圖

玻爾的原子模型剛出來時，也有很多反對的聲音。后來愛因斯給了他非常有力的肯定，大家于是才開始重視起玻爾的模型。玻爾的原子模型雖然能很好的解釋了盧瑟福原子模型存在的兩個問題:電子最低能級的能量也是最低，也就是基態(tài)，所以沒法再向原子核墮落；而由于軌道的能量是量子化的，所以輻射和吸收的能量也是量子化的，這樣對應(yīng)的頻率也是量子化的，因此，原子光譜的譜線是分立的而不是連續(xù)的。

玻爾據(jù)此也得到了1922年的諾貝爾物理獎。但是關(guān)于玻爾的模型，同樣存在著很多沒法解釋的問題。如為什么電子在同一個軌道中運動時并不輻射能量？電子的軌道是不連續(xù)的，那電子是如何從一個能級躍遷到另外一個能級的軌道？難道它們有自由意志，它們會象嶗山道土一樣有穿墻術(shù)嗎？

德布羅意的原子模型

這個詭異的現(xiàn)象，后來法國物理學(xué)家路易.德布羅意大膽的給出了一個假設(shè)，他認(rèn)為電子是一種波。他于1924年的博士畢業(yè)論文里，明確的說明了：實物粒子和光一樣，也具有波粒二象性！

本來光具有波粒二象性，已經(jīng)是夠詭秘夠不可思議的了，畢竟光的靜止質(zhì)量為0，而這些有靜止質(zhì)量的實物粒子都是實實在在的，你德布羅意一個還沒畢業(yè)的博士生突然再來一個物質(zhì)也是一種波，這簡直就是石破天驚呀！他的導(dǎo)師郎之萬看到論文時，幾乎是嚇得在叫“救命呀！快來人！”。他不敢下結(jié)論，于是發(fā)給愛因期坦求助。愛因斯坦給出的評論是：德布羅意可能揭開了物理學(xué)大幕的一角。

德布羅意

物理學(xué)家們提出一個假設(shè)，是不能憑空想象的，為了證實推理的正確性，還得加上數(shù)學(xué)公式去論證。說到數(shù)學(xué)公式許多人都被嚇到了，別擔(dān)心，這里為了能說清楚問題，我們只是做個簡化的推理過程，保證公式也是最簡單的。

我們知道電子是有質(zhì)量的，那么通過愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc^2，德布羅意想到電子也有一個對應(yīng)的能量。而根據(jù)普朗克的能量公式：E=hν（h是普朗克常數(shù)，ν是光的頻率。）他推導(dǎo)出電子是有一個內(nèi)稟的頻率的。這里就是關(guān)鍵了，頻率我們知道它是跟波的振動周期有關(guān)的，那么本來是一粒粒的電子，現(xiàn)在竟然跟波也有了關(guān)系，這個關(guān)聯(lián)許多人都不敢去想，而德不羅意就想到了。

這個頻率也很容易算得出來，根據(jù)mc^2=E=hν，得出ν=mc^2/h。德布羅意通過愛因斯坦的相對論，他還得出，當(dāng)電子以V的速度在前進時，會伴隨著一個速度為C^2/V的波。并且這個波的波長也可以計算出來，就是速度除以頻率：λ=(c^2/v)/(mc^2/h)=h/mv。這個波就叫做相波，也稱之為意布羅意波。我們把公式簡化為：

一個數(shù)學(xué)公式，當(dāng)它輸入代表粒子特征的“能量”時，能推導(dǎo)出一個具有波的性征的“振動頻率'出來，而輸入代表波的特征的“振動頻率”時，它也能推導(dǎo)出代表粒子特征的“能量”出來，這就是德布羅意波公式的內(nèi)在含義，它意味著實物粒子是具有波粒二象性的。而電子能在不同能級間跌遷，就是靠這個波粒二象性。當(dāng)能級兩邊的粒子的能量達到某個特定的能量值時，兩邊粒子的波發(fā)生共振，這時就會有一小部分的能量以極小的概率穿越能級的障礙到達對方的地盤。

在愛因斯坦的大力支持下，德布羅意不僅通過了博士論文的答辯，還獲得了1929年的諾貝爾物理學(xué)獎。電子的波粒二象性雖然理論上說得通，但是許多人還是不服氣的，他們沖著德布羅意說:你能做出一個實驗來驗證它嗎？德布羅意談定的預(yù)言說：可以，只要你讓電子通過一個晶體，就可以得出具有波的特征的衍射，干涉等現(xiàn)象。

因為當(dāng)時條件的限制，這個實驗沒法實現(xiàn)。直到1927年，戴維遜和革末用電子束通過單晶的實驗，看到了電子衍射的現(xiàn)象。1937年，G.P湯姆遜也用多晶金屬箔薄膜透射法發(fā)現(xiàn)了電子的衍射現(xiàn)象，它們證實了德布羅意波的存在。戴維遜和G.P湯姆遜同時獲得了1937年的諾貝爾物理學(xué)獎。這個G.P湯姆遜就是發(fā)現(xiàn)電子的J.J.湯姆遜的兒子。他爸因為發(fā)現(xiàn)了電子是一種粒子而獲獎，兒子卻因發(fā)現(xiàn)電子是一種波而獲獎，這在科學(xué)史上成為了一段傳奇的佳話。

電子通過晶體形成的干涉圖

此后，人們相繼采用中子、質(zhì)子、氫原子甚至分子、大分子、超大分子等粒子去做實驗，也同樣觀察到衍射現(xiàn)象，這充分證明了所有實物粒子都具有波粒二象性，而不僅限于電子。

所有的物質(zhì)都具有波粒二象性，這真是太不可思議了！難道我們身邊的汽車、足球、房子、人......都具有波粒二象性嗎？確實是的，波粒二象性是所有物質(zhì)的內(nèi)稟性質(zhì)。只是因為在λ=h/mv中，普朗克常數(shù)h太小，而宏觀的物質(zhì)質(zhì)量太大，所以這個波長實在太小，小到我們沒法感受得到而已。

物理學(xué)家文小剛說過，量子力學(xué)是一場統(tǒng)一了波和粒子的革命。

我們所在的經(jīng)典宏觀世界，看到的感受到的只是一種表面現(xiàn)象，微觀世界里物質(zhì)既是波又是粒子的性質(zhì)才是它真實的面目。并且這種波粒二象性衍生出來的各種各樣詭異的現(xiàn)象，至今我們都沒法完全解釋得清楚，什么量子不確定性，量子隧穿，量子糾纏......這是后話了。

所有粒子既是連續(xù)的波，同時也是不連續(xù)的點狀粒子。以后我們觀察身邊的世界時，又多了一個不同的視角。我們要把粒子看成波，把波看成粒子，同時還得使用波和粒子的角度。

最后用一句話作為結(jié)束吧：“哪有什么歲月靜好，不過是微觀粒子在替你詭秘前行?！?/strong>

和大人聊科學(xué)，小朋友卻聽懂了，就是醬子聊科學(xué)，關(guān)注我漲姿勢~